張生芳 毛俊峰 王毅 解明君 王偉國

（①大連交通大學(xué)，遼寧大連116028;②大連奧拓股份有限公司，遼寧大連 100107）

數(shù)控火焰切割機(jī)是一種利用燃?xì)獾臒崮軐?duì)金屬板材進(jìn)行切割加工并利用數(shù)控裝置控制機(jī)床的切割軌跡的熱切割設(shè)備。廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、壓力容器等制造行業(yè)中［1］。特別是，在汽車白車身焊裝生產(chǎn)線裝備制造過程中是必不可少的重要裝備。本文構(gòu)建了一種基于工控機(jī)IPC和Trio運(yùn)動(dòng)控制器的開放式火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的軟硬件?；诿嫦?qū)ο蟮腃#語言和Motion Perfect2軟件開發(fā)了控制系統(tǒng)的軟件功能模塊，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際加工試驗(yàn)。

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)總體方案

開放式火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用基于工控機(jī)IPC+Trio MC206多軸運(yùn)動(dòng)控制器的模式構(gòu)建，其結(jié)構(gòu)體系如圖1所示。其中，所用的火焰切割機(jī)床采用門式結(jié)構(gòu)，機(jī)床橫向主橫梁（X軸）導(dǎo)軌上安裝有主、從兩個(gè)割炬機(jī)頭，主割炬機(jī)頭由X軸交流伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)沿機(jī)床橫向?qū)к夁\(yùn)動(dòng)，從割炬機(jī)頭無X軸向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，在需要雙割炬機(jī)頭切割的場(chǎng)合通過鋼帶連接使從割炬機(jī)頭與主割炬機(jī)頭做同步運(yùn)動(dòng)?；鹧媲懈顧C(jī)頭沿機(jī)床縱向（Y軸）導(dǎo)軌方向的運(yùn)動(dòng)由交流伺服電動(dòng)機(jī)精確驅(qū)動(dòng)控制。主、從機(jī)頭的升降由步進(jìn)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，升降量以人工手動(dòng)調(diào)整為主。

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

根據(jù)開放式火焰切割機(jī)數(shù)制系統(tǒng)硬件各部分功能的不同，可將其分為操作監(jiān)控單元、運(yùn)動(dòng)控制單元和機(jī)床本體三個(gè)部分，如圖1所示。

2.1 操作監(jiān)控單元

操作監(jiān)控模塊是操作人員完成人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控火焰切割機(jī)的相關(guān)控制操作和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控的唯一平臺(tái)。其主要包括兩部分:上位機(jī)和操作面板。工業(yè)級(jí)IPC既具有普通PC機(jī)的開放式結(jié)構(gòu)和軟硬件資源，又能在工業(yè)環(huán)境下可靠運(yùn)行。因此本系統(tǒng)選用工業(yè)級(jí)IPC作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)，運(yùn)行上位管理軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面管理、控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、指令發(fā)送、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、機(jī)床坐標(biāo)顯示、切割軌跡跟蹤等系統(tǒng)管理功能。操作面板上集成有火焰切割機(jī)床的一些實(shí)時(shí)操作功能模塊，如主、從割炬機(jī)頭的手動(dòng)升降，切割閥的開關(guān)控制等。對(duì)操作面板的操作將改變24 V開關(guān)量控制信號(hào)的狀態(tài)，可實(shí)時(shí)發(fā)送相關(guān)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制單元

運(yùn)動(dòng)控制單元包括運(yùn)動(dòng)控制器（下位機(jī)）、交流伺服系統(tǒng)和步進(jìn)伺服系統(tǒng)。下位機(jī)采用Trio MC206型多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它采用高性能32位DSP技術(shù)，伺服運(yùn)算周期不超過1 ms，最多可同步控制四個(gè)步進(jìn)軸或伺服軸的運(yùn)動(dòng)。控制器內(nèi)嵌式PLC功能可同步實(shí)現(xiàn)256個(gè)開關(guān)量的輸入輸出控制，如操作面板上的控制按鈕信號(hào)、機(jī)床各軸行程開關(guān)信號(hào)、控制柜中接觸器信號(hào)、電磁閥開關(guān)控制信號(hào)、各伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)信號(hào)的輸入輸出等。控制器具有開放式結(jié)構(gòu)，通訊接口多樣、功能豐富、使用簡(jiǎn)單，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的核心，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)完成數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)運(yùn)算、伺服脈沖輸出分配、I/O信號(hào)的輸入輸出檢測(cè)和控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)。并將運(yùn)算處理結(jié)果實(shí)時(shí)輸出至驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和相關(guān)外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰切割機(jī)的切割控制［3］。交流伺服系統(tǒng)是火焰切割機(jī)實(shí)現(xiàn)XY平面切割軌跡運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置。本文選用MINAS A4交流伺服系統(tǒng):火焰切割機(jī)X軸、Y軸均選用功率為750 W的MHMD082P1C型交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與之適配驅(qū)動(dòng)器型號(hào)采用MCDDT3520003。伺服驅(qū)動(dòng)器采用位置控制方式，X軸、Y軸伺服驅(qū)動(dòng)器分別接受控制器0軸和1軸輸出的脈沖控制信號(hào):指令脈沖PULSE+指令方向SIGN。指令脈沖的個(gè)數(shù)和頻率分別控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度，指令方向控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向［2］。伺服系統(tǒng)根據(jù)控制器輸出的脈沖控制信號(hào)與電動(dòng)機(jī)位置編碼器反饋信號(hào)比較的差值實(shí)現(xiàn)伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)的精確定位。由于火焰切割機(jī)主、從割炬機(jī)頭的升降控制精度要求不高，且在切割過程中以手動(dòng)方式調(diào)整升降高度為主，因此采用步進(jìn)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。對(duì)應(yīng)的脈沖控制信號(hào)由控制器的2和3號(hào)軸發(fā)出。

Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器外部接口及其與交流伺服驅(qū)動(dòng)器之間的接線方式分別如圖2和圖3所示。脈沖控制信號(hào)由運(yùn)動(dòng)控制器0～3號(hào)軸脈沖輸出端輸入驅(qū)動(dòng)器，其中0、1號(hào)脈沖輸出端分別與X、Y軸交流伺服驅(qū)動(dòng)器相連，2、3號(hào)脈沖輸出端與主、從步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)器相連。運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)置使能繼電器（WDOG）端口與交流伺服驅(qū)動(dòng)器使能信號(hào)線（29 SRV－ON）相連，通過WDOG=ON控制指令控制伺服驅(qū)動(dòng)器的使能。此外伺服準(zhǔn)備輸出（SRDY+）、伺服報(bào)警輸出（ALM+）、伺服報(bào)警清除（COIN+）等信號(hào)可由I/O端輸入控制器。

在運(yùn)動(dòng)控制單元中，切割程序中的數(shù)據(jù)經(jīng)上位機(jī)導(dǎo)入下位機(jī)Trio MC206控制器中?？刂破鞲鶕?jù)程序數(shù)據(jù)執(zhí)行插補(bǔ)運(yùn)算并輸出脈沖控制指令，控制火焰切割機(jī)自動(dòng)完成對(duì)工件的切割加工。

2.3 機(jī)床本體

火焰切割機(jī)機(jī)床本體是控制系統(tǒng)的終端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在數(shù)控系統(tǒng)控制下執(zhí)行切割任務(wù)，完成金屬板材的切割加工。數(shù)控系統(tǒng)控制交流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)床沿X、Y軸精確按照NC程序?qū)崿F(xiàn)預(yù)定切割軌跡的運(yùn)動(dòng)以及主從機(jī)頭的升降。系統(tǒng)內(nèi)嵌式PLC功能完成燃?xì)怆姶砰y門的開關(guān)邏輯控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱、穿孔、切割等功能，最終將金屬板材切割成需要的工件形狀。

3 數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)構(gòu)建的火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件體系的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采用前后臺(tái)型模式［4－5］。根據(jù)所實(shí)現(xiàn)功能的實(shí)時(shí)性相對(duì)強(qiáng)弱的不同，將控制系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)管理軟件和下位機(jī)底層控制程序兩部分，其實(shí)現(xiàn)的具體功能如圖4所示。

上位機(jī)管理軟件是在Visual Studio 2008環(huán)境下采用面向?qū)ο蟮腃#語言開發(fā)的。開發(fā)時(shí)，應(yīng)首先在PC上安裝Trio PC ActiveX控件。該控件中包含有與Trio MC206控制器進(jìn)行通訊的各種方式以及豐富的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制函數(shù)。通過在上位機(jī)管理軟件開發(fā)項(xiàng)目中添加該控件，即可根據(jù)軟件開發(fā)的功能要求調(diào)用控件中的功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)管理軟件與控制器的通訊和相關(guān)操作。上位機(jī)管理軟件作為后臺(tái)管理程序，主要完成人機(jī)交互、加工程序管理、系統(tǒng)管理和監(jiān)控、雙CPU通訊、運(yùn)行狀態(tài)顯示等實(shí)時(shí)性要求不高的功能。

下位機(jī)底層控制程序的功能為前臺(tái)程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)控制，運(yùn)行在Trio MC206控制器中，完成加工程序解釋、插補(bǔ)運(yùn)算、伺服驅(qū)動(dòng)、速度控制、I/O邏輯控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)。底層控制程序在Trio公司提供的控制程序集成開發(fā)環(huán)境Motion Perfect2軟件中采用Trio Basic語言編寫和調(diào)試，實(shí)現(xiàn)火焰切割機(jī)的所有運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制功能。Trio運(yùn)動(dòng)控制器具有多程序同時(shí)運(yùn)行機(jī)制，可最多同時(shí)運(yùn)行8個(gè)進(jìn)程，故可根據(jù)功能要求不同，將底層程序設(shè)置成不同的子程序模塊循環(huán)執(zhí)行，并以特定全局變量VR（）的值或某個(gè)I/O狀態(tài)的變化作為是否執(zhí)行該子程序功能的判斷條件。

3.2 軟件主要功能模塊

根據(jù)開放式火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能和特點(diǎn)，可將其軟件根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，可歸納為以下6個(gè)功能模塊，分別闡述如下。

（1）上、下位機(jī)通訊模塊

通過調(diào)用Trio PC ActiveX控件中的通訊功能函數(shù)Open（PortType，PortMode）實(shí)現(xiàn)上下機(jī)的通訊連接，完成上下位機(jī)之間數(shù)據(jù)流和信息流的傳輸和交換。

（2）圖形信息輸入模塊

該模塊中的圖形信息以NC文件（以G代碼編寫）的形式導(dǎo)入上位機(jī)管理軟件中，NC文件由Fast CAM火焰切割機(jī)套料編程軟件自動(dòng)生成。在人機(jī)界面中會(huì)以圖形的形式顯示NC文件中的待加工程序，用戶可通過圖形直觀了解需要切割的金屬工件形狀。

（3）NC代碼處理模塊

該模塊中，對(duì)NC代碼進(jìn)行譯碼和割縫補(bǔ)償。譯碼模塊將逐行把G代碼中的準(zhǔn)備功能字和尺寸字均以數(shù)據(jù)表示（如準(zhǔn)備功能字G01以11111表示，G02以22222表示），并且尺寸字將根據(jù)用戶輸入的割縫補(bǔ)償值生成經(jīng)補(bǔ)償后的新的尺寸數(shù)據(jù)，然后將這些數(shù)據(jù)按順序一起導(dǎo)入Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器中的Table（）表格中。自動(dòng)加工時(shí)根據(jù)Table（）表格中的數(shù)據(jù)值執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)和位移，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割控制。

（4）手動(dòng)操作模塊

手動(dòng)操作模塊主要負(fù)責(zé)機(jī)床X、Y軸位置的手動(dòng)調(diào)整，回零操作，主、從割炬升降位置的實(shí)時(shí)手動(dòng)調(diào)整，電磁閥開關(guān)的手動(dòng)控制等功能。

（5）自動(dòng)加工和仿真模塊

自動(dòng)加工模塊可以實(shí)現(xiàn)正向切割、按原軌跡反向切割、暫停、隨時(shí)改變加工速度等功能。仿真模塊可以在程序運(yùn)行、電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)加工過程的模擬并繪圖，可用以檢驗(yàn)NC代碼處理過程中導(dǎo)入控制器Table（）表格中的切割數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確無誤。

（6）狀態(tài)顯示模塊

該模塊實(shí)時(shí)顯示機(jī)床當(dāng)前的反饋信息，主要包括更新和顯示機(jī)床和工件的當(dāng)前坐標(biāo)值、實(shí)際切割速度、切割狀態(tài)、當(dāng)前加工程序文件名等，并且在主顯示界面中根據(jù)反饋的當(dāng)前坐標(biāo)位置進(jìn)行繪圖。正常切割狀態(tài)下，實(shí)時(shí)繪制的圖形與導(dǎo)入的圖形將會(huì)重合。

4 開放式數(shù)控系統(tǒng)的加工實(shí)例

開放式火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床本體經(jīng)安裝、集成調(diào)試完畢后，下面通過一個(gè)加工實(shí)例來驗(yàn)證該系統(tǒng)的可靠性。

圖5為該數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，人機(jī)界面提供了對(duì)火焰切割機(jī)的各種控制操作。人機(jī)界面中綠色實(shí)線繪制的圖形為本實(shí)例導(dǎo)入的NC加工文件中待切割工件的形狀。黃色實(shí)線為火焰切割機(jī)加工過程中根據(jù)下位機(jī)反饋的機(jī)床實(shí)際位置實(shí)時(shí)繪制的圖形。自動(dòng)切割過程中，黃色實(shí)線將實(shí)時(shí)的顯示切割的當(dāng)前進(jìn)度，機(jī)床實(shí)際的切割狀態(tài)與黃色實(shí)線的顯示一致，用戶可以通過比較了解此次切割任務(wù)完成的情況。

圖6為機(jī)床實(shí)際切割工件的實(shí)際照片，從圖中可以看到機(jī)床切割出來的工件與NC加工文件完全一致，表明該數(shù)控系統(tǒng)可滿足火焰切割機(jī)的控制要求。

5 結(jié)語

本文研發(fā)了基于工控機(jī)IPC+Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器的開放式火焰切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行了詳細(xì)的控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，并通過實(shí)際加工試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)踐應(yīng)用表明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而且系統(tǒng)人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短、控制精度高、開放性好，能夠滿足火焰切割機(jī)的控制要求，可有效提高汽車白車身焊裝裝備的加工效率，顯著降低制造成本。

［1］趙海軍，徐家寧，孫旭東.開放式數(shù)控火焰切割機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2007（7）:97－99.

［2］Trio Motion Technology Ltd..Trio技術(shù)手冊(cè)［Z］.上海:Trio Motion Technology Ltd.，2006.

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［5］劉偉，簡(jiǎn)毅，張建飛.三棱形磨床開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)與研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009（6）:34－37.